瑞薩電子在2025年9月25日發(fā)布了一份數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)演進(jìn)白皮書，主題是數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的演進(jìn)，重點(diǎn)針對(duì)AI算力爆發(fā)帶來的供電挑戰(zhàn)，提出了一種向800V高壓直流HVDC架構(gòu)演進(jìn)的方案。

白皮書由瑞薩電子Pietro Scalia，Yong Perry Li, Ashish Ekbote撰寫，分別從市場(chǎng)戰(zhàn)略、器件研發(fā)到工程落地，構(gòu)成了一個(gè)完整的“技術(shù)-產(chǎn)品-市場(chǎng)”鐵三角。

由于AI的爆發(fā)式增長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心IT機(jī)架的功耗急劇上升，目前已達(dá)數(shù)百千瓦，行業(yè)正在從傳統(tǒng)的48V架構(gòu)，轉(zhuǎn)換成800V HVDC架構(gòu)。通過使用氮化鎵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度和高能效的16：1降壓轉(zhuǎn)換，瑞薩電子與英偉達(dá)合作開發(fā)面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的新800V架構(gòu)。

目錄中第三章介紹了16：1 800V DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，第四章介紹了64：1 800V轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展，第五章介紹了前端PFC轉(zhuǎn)換器。

隨著AI硬件的激增，數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷重大變革，xPU和ASIC廠商以極快的周期發(fā)布新技術(shù)，支出遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器升級(jí)，半導(dǎo)體供應(yīng)商也積極參與硬件革命。

xPU的功耗正在急劇增加，使得機(jī)柜的總功率在未來的一年內(nèi)達(dá)到數(shù)百千瓦，是現(xiàn)有GB300的二倍多，并且AI算力的需求增長(zhǎng)速度，遠(yuǎn)超半導(dǎo)體的摩爾定律。

若沿用傳統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)48V配電架構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生巨大的配電損耗，或大量使用銅排，需要修改設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)功率的急劇增加。HVDC方案將直接使用800V直流為機(jī)柜供電，減少銅的使用。

在白皮書中，瑞薩電子分析了適用于新架構(gòu)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)例，使用維也納拓?fù)涞碾p向氮化鎵開關(guān)，簡(jiǎn)化AC/DC前端結(jié)構(gòu)和成本，生成800V直流電壓，模塊功率趨向20kW或更高。

圖1展示了SoC功率最大電流趨勢(shì)，圖中紅色散點(diǎn)代表AI GPU/TPU/xPU/網(wǎng)絡(luò)ASIC的最大電流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，2028年預(yù)測(cè)峰值電流可能突破4000A。藍(lán)色散點(diǎn)代表傳統(tǒng)的x86/ARM CPU功耗增長(zhǎng)平緩，峰值達(dá)到1000A。

通過使用Side Car架構(gòu)，將AC/DC轉(zhuǎn)換單元移出計(jì)算機(jī)架，放置在Side Car機(jī)架中。通過800V HVDC輸送給計(jì)算機(jī)架，減少用銅量，并提升更高的功率密度。在計(jì)算機(jī)架中，使用16：1的LLC拓?fù)浣祲褐?8V，為GPU/xPU供電。

氮化鎵器件能夠在MHz級(jí)別進(jìn)行高頻轉(zhuǎn)換，并具有可控的損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的尺寸和新型機(jī)柜所需的更高功率密度的設(shè)計(jì)。在低壓側(cè)使用直流變壓器降壓到48V，復(fù)用現(xiàn)有的48V生態(tài)系統(tǒng)。

也可能使用這種DC/DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)64：1的電壓轉(zhuǎn)換，跳過48V環(huán)節(jié)，直接從800V降壓到12V。或使用帶有GaN的八開關(guān)混合電容轉(zhuǎn)換器降壓至6V。

在低壓側(cè)，GPU需要的功率趨向數(shù)千瓦，需要使用非常規(guī)方式為GPU供電，使用垂直供電減少分布損耗，垂直供電需要高集成化的模塊方案，降低高度。最后使用高頻集成電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)最后階段轉(zhuǎn)換。

瑞薩作為長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)中心電源供應(yīng)商，正在利用 GaN/Si 開關(guān)、數(shù)字控制器、驅(qū)動(dòng)器以及 PoL/BMS 控制器等技術(shù)，支持 OEM 和超大規(guī)模客戶定義下一代架構(gòu)。

圖3是支持當(dāng)今數(shù)據(jù)中心AI供電方案的瑞薩電源方案組合，由于GPU的功耗提升，服務(wù)器功耗已經(jīng)從20-30kW飆升至130kW以上，使用高壓母線和Side Car機(jī)架成為趨勢(shì)，可擴(kuò)展功率至1MW。

瑞薩現(xiàn)有第四代數(shù)字多相控制器和第三代智能功率級(jí)，高密度垂直供電模塊，專有的測(cè)試工具，性能優(yōu)化軟件，數(shù)字控制器+智能功率級(jí)，48V隔離轉(zhuǎn)換器，DDR5 PMIC和16串電池管理方案。

新產(chǎn)品包括氮化鎵晶體管，負(fù)載點(diǎn)，電子熔絲，MOS管，控制器和驅(qū)動(dòng)器。

圖5展示了下一代機(jī)柜的HVDC DC/DC轉(zhuǎn)換架構(gòu)，使用800V直流母線輸入，使用兩個(gè)3kW的半橋LLC，將800V轉(zhuǎn)換成48V。介紹了瑞薩可用于該電路的氮化鎵開關(guān)管，驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字電源控制器。

符合開放計(jì)算項(xiàng)目原則，本主題所述內(nèi)容遵循OCP原則生成。其宗旨在于展示一種標(biāo)準(zhǔn)且開放的拓?fù)浞椒ǎ詰?yīng)對(duì)新架構(gòu)帶來的新挑戰(zhàn)，并激勵(lì)全行業(yè)的采用。這在IT機(jī)柜的銅材節(jié)省以及從電網(wǎng)到核心的整體效率優(yōu)勢(shì)方面帶來了顯著影響，從而實(shí)現(xiàn)IT機(jī)柜的可持續(xù)實(shí)施。

這種直流/直流方法在12kW功率水平、全磚尺寸下進(jìn)行了驗(yàn)證，具備可擴(kuò)展性，能夠承受潛在的功率變化；同時(shí)，從實(shí)際48V向更低中間電壓值轉(zhuǎn)移的角度而言，它還能進(jìn)一步提高刀片和IT機(jī)柜本身的整體效率和功率密度。這些涉及新架構(gòu)電路實(shí)現(xiàn)的技術(shù)和組件，也可應(yīng)用于Side Car交/直流機(jī)柜中，其中GaN BDS和UDS器件可通過使用簡(jiǎn)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高效率和降低成本。

用于IT機(jī)柜的16：1 800V DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由兩個(gè)并聯(lián)的6kW轉(zhuǎn)換器單元組成，每個(gè)6kW轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)3kW的400-48V LLC模塊組成。輸入端串聯(lián)連接，輸出端并聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)更高功率密度和更高效率的變壓器設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)不同的輸入輸出配置。

在新的高壓直流架構(gòu)中，48V和12V輸出不需要由電源穩(wěn)壓，下游的低壓DC/DC可以負(fù)責(zé)穩(wěn)壓，為GPU提供調(diào)節(jié)后的直流電壓。無需輸出電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，適合LLC DCX模式。

傳統(tǒng)的LLC為了穩(wěn)壓，需要改變開關(guān)頻率，需要閉環(huán)控制算法和高速ADC實(shí)時(shí)采樣。LLC DCX采用固定頻率運(yùn)行，采用開環(huán)控制，無需高速ADC，無需實(shí)時(shí)控制。

矩陣變壓器與傳統(tǒng)變壓器不同，將多個(gè)繞組互聯(lián)，共用同一個(gè)磁芯，實(shí)現(xiàn)了卓越的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。繞組可以集成在PCB中，將同步整流與輸出電容結(jié)合成緊湊的協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。圖8展示了帶矩陣變壓器的LLC DCX，在PCB上設(shè)有控制器，驅(qū)動(dòng)器，開關(guān)管和同步整流管。

基礎(chǔ)構(gòu)建模塊設(shè)計(jì) 3kW 400V-48V DCX，采用半橋LLC拓?fù)洌跫?jí)采用瑞薩TP65H030G4PRS氮化鎵開關(guān)管，采用TOLT封裝，提供頂部散熱，簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。次級(jí)采用兩相全橋同步整流電路，使用瑞薩RBE024N08R1SZN6同步整流管。

控制器采用瑞薩RA6T2 MCU，用于開關(guān)PWM控制和副邊同步整流控制，以及監(jiān)控和故障處理功能。由于采用開環(huán)控制，以固定的轉(zhuǎn)換比運(yùn)行，不需要實(shí)時(shí)控制，原邊和副邊的PWM信號(hào)都由位于副邊地的同一MCU生成。

圖9介紹了3kW 400V-48V LLC DCX模塊的柵極驅(qū)動(dòng)方案，原邊采用隔離型高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，確保安全和信號(hào)完整性。副邊采用瑞薩100V半橋柵極驅(qū)動(dòng)器HIP2211，簡(jiǎn)化低壓側(cè)的設(shè)計(jì)，并使用矩陣變壓器實(shí)現(xiàn)高功率密度的集成。

在HVDC系統(tǒng)中，輔助電源不僅為MCU、柵極驅(qū)動(dòng)器和外設(shè)供電，還需要處理800V直流母線連接/斷開的時(shí)序。瑞薩iW1825反激轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成開關(guān)管和控制器，采用原邊反饋技術(shù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提升可靠性。

平面矩陣變壓器適合超高功率密度應(yīng)用，集成結(jié)構(gòu)能夠保證磁通均勻分布，降低磁芯損耗。瑞薩已完成3kW 400V-48V LLC DCX的設(shè)計(jì)，完成原型制作和測(cè)試，持續(xù)優(yōu)化以減小尺寸。

圖10展示了3kW 400V-48V LLC DCX原型機(jī)的仿真認(rèn)證，基于Ansys軟件的3D磁場(chǎng)仿真視圖，展示了變壓器在等氣隙設(shè)計(jì)下的磁通密度分布。LLC DC開關(guān)頻率約為650kHz，實(shí)現(xiàn)了原邊ZVS和副邊ZCS。

圖11展示了LLC DCX原型的測(cè)試波形圖，CH1藍(lán)色為原邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形，CH2青色為副邊變壓器輸出電壓波形，CH3紫色為原邊電流波形。

64：1轉(zhuǎn)換器用于800V轉(zhuǎn)換12V輸出，采用帶有8倍副邊中心抽頭的LLC DCX拓?fù)洌档透边呁秸鞯碾娏鲬?yīng)力，降低導(dǎo)通損耗，提高整體效率。

在3kW輸出條件下，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)換效率約為96.7%，相比48V輸出效率降低1%，但在減少轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)具有顯著價(jià)值，可降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖13為滿載3kW時(shí)的原邊諧振槽電流和副邊開關(guān)電流，上方紫色曲線為原邊開關(guān)管電流，下方青色曲線為原邊開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，降低了開關(guān)損耗。

圖14為負(fù)載功率為3kW時(shí)的輸出電壓與電流，上方黃色曲線為輸出電流，下方紅色曲線為輸出電壓，輸出電流紋波約14A，輸出電壓紋波約500mV。

前級(jí)PFC設(shè)置在Side Car機(jī)架中，連接市電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的800V輸出。維也納整流器是流行的PFC拓?fù)渲唬ㄟ^使用雙向GaN器件，可以實(shí)現(xiàn)具有低導(dǎo)通損耗的維也納整流器。使用雙向開關(guān)GaN，可以實(shí)現(xiàn)較低的傳導(dǎo)損耗，還可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步提升功率密度。

雙向開關(guān)GaN采用橫向結(jié)構(gòu)，可通過基板散熱，還可通過頂部散熱。器件具備準(zhǔn)無反向恢復(fù)和快速開關(guān)特性，開關(guān)損耗極低。瑞薩推出的新型雙向高壓氮化鎵開關(guān)取代了傳統(tǒng)的兩個(gè)開關(guān)管，減小了功率級(jí)尺寸，并提升效率，具有成本優(yōu)勢(shì)。

為了滿足現(xiàn)代AI數(shù)據(jù)中心的兆瓦級(jí)需求，需要新的高壓架構(gòu)，白皮書探討了IT機(jī)架和Side Car機(jī)架的兩個(gè)模塊，采用開放，可擴(kuò)展的拓?fù)浜图夹g(shù)方法。氮化鎵降低了開關(guān)損耗，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，并簡(jiǎn)化拓?fù)洌嵘煽啃浴?/p>

瑞薩展示了詳細(xì)的3kW 400V-48V LLC DCX轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和實(shí)施結(jié)果，通過仿真數(shù)據(jù)證明架構(gòu)的可擴(kuò)展性。瑞薩正在設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試更多模塊，評(píng)估和測(cè)試潛在的演進(jìn)路徑。瑞薩鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心，OEM廠商和超大規(guī)模服務(wù)商與半導(dǎo)體供應(yīng)商合作，共同定義下一代改進(jìn)的電源架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)包括：瑞薩電子電源管理與技術(shù)；NVIDIA 800 VDC架構(gòu)將驅(qū)動(dòng)下一代AI工廠；開放計(jì)算基金會(huì)。

開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）是一個(gè)由超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商、電信公司、托管服務(wù)提供商和企業(yè) IT 用戶組成的協(xié)作社區(qū)，與產(chǎn)品和解決方案供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)合作，開發(fā)從云端到邊緣均可部署的開放創(chuàng)新。

OCP 基金會(huì)負(fù)責(zé)培育和服務(wù) OCP 社區(qū)，以滿足市場(chǎng)需求并塑造未來，將超大規(guī)模驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新帶給每一個(gè)人。滿足市場(chǎng)需求是通過開放規(guī)范、設(shè)計(jì)以及新興的市場(chǎng)計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)的，這些計(jì)劃展示了 OCP 認(rèn)可的 IT 設(shè)備和數(shù)據(jù)中心設(shè)施的最佳實(shí)踐。

塑造未來包括投資于戰(zhàn)略計(jì)劃和項(xiàng)目，為 IT 生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)重大技術(shù)變革做好準(zhǔn)備，例如人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、光學(xué)、先進(jìn)冷卻技術(shù)、可組合內(nèi)存和硅片。OCP 社區(qū)開發(fā)的開放創(chuàng)新致力于惠及所有人，并從影響力、效率、規(guī)模和可持續(xù)性的角度進(jìn)行優(yōu)化。請(qǐng)?jiān)L問 www.opencompute.org。

總結(jié)

白皮書中介紹了瑞薩的16：1 800V轉(zhuǎn)換48V的DC/DC設(shè)計(jì)，采用LLC DCX模式運(yùn)行，無需穩(wěn)壓，簡(jiǎn)化了控制。矩陣變壓器相比傳統(tǒng)變壓器提供了更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。64：1 800V轉(zhuǎn)換12V的DC/DC設(shè)計(jì)雖然相比48V轉(zhuǎn)換降低了1%的效率，但是消除了48V到12V轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

雙向開關(guān)GaN取代了傳統(tǒng)的兩個(gè)開關(guān)管，適合前級(jí)PFC的維也納整流器應(yīng)用，降低傳導(dǎo)損耗，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升功率密度，并具備成本優(yōu)勢(shì)。白皮書中還介紹了數(shù)據(jù)中心AI供電方案的瑞薩電源方案組合，包括數(shù)字控制器+智能功率級(jí)，垂直供電模塊，48V隔離轉(zhuǎn)換器，DDR5 PMIC和16串電池管理方案等。